浅谈桩基础设计

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　　随着经济发展，城市中各类高层建筑拔地而起，作为高层的基础部分往往在整个建筑物投资中占据了很大的比例。而高层基础往往采用桩基础，因此，如何选择合理的桩基础形式，对于保证安全，节约投资、降低造价起着举足轻重的作用。这就要求我们设计人员对每个建筑物的勘察报告进行仔细分析，选择一个最优化的基础方案。笔者就以下几方面对桩基础设计中值得注意的问题进行探讨。

　　一.桩基设计中静载荷试验的重要性

　　目前的桩基础设计过程，往往受到时间的约束首先根据地质报告提供的参数确定单桩承载力设计值，根据这个估算的单桩承载力直接进行桩基础设计并施工，等工程桩施工结束后再挑选试桩进行静载荷试验。这个过程具有相当的不科学性，结果符合估算要求，则皆大欢喜，否则因工程已施工完毕补桩也会很困难，且有时因地质报告有出入会给施工中带来相当的不便。这里主要有两个问题，下面举例来说明。一是根据地质报告提供的桩周土摩擦力标准值及桩端土承载力标准值由规范JGJ94-94计算的场区单桩承载力标准值，这是一个经验数值，不宜直接采用。近几年来笔者通过各类桩基础中试桩及工程桩的检测，发现绝大多数桩的实际承载力均大于计算值，有些相差幅度较大，因此按试桩获得的实际承载力将会比按勘察报告估算的承载力来布置基础将产生巨大的经济效益。例如，笔者曾设计过苏州工业园区南都·玲珑湾花园住宅，主体为地下一层、地面十八层的高层住宅，根据地质勘察报告拟采用 D500的预应力管桩，桩长20m，按JGJ94-94公式5.2.8估算单桩承载力设计值约为1400kN，而我要求进行的3根破坏性试桩显示实际单桩承载力可达1850kN，整整比估算值提高了30%左右，实际工程桩设计就采用试验值进行，为甲方大大节省了投资。其二是当场地不均匀或地质报告数值有偏差的情况下，不进行试桩而直接按地质报告进行工程桩施工将给施工带来巨大的困难且造成不必要的浪费。例如唯亭某五层商住楼，根据地质报告采用10m 长的预制方桩，桩径400x400，单桩承载力极限标准值约为1350kN，采用静力压桩，实际施工中几乎每根桩都压至2000kN而未达到预定深度，而此时已达到预制桩的桩身强度，故施工过程中每根桩都采用了劈桩，在时间金钱上都造成了巨大的浪费。经过静载荷试验未达设计标高的工程桩均达到了设计承载力，也就是说设计上如先进行试桩则至少可减短1.5m左右的桩长，桩承载力不减小且不需要劈桩。由上可见，桩基础设计过程中静载荷试验是一个十分重要的环节。因为次项工作质量直接影响到桩基形式、桩规格和桩入土深度的确定，同时也对施工难易有密切影响。通过科学试验，取得准确数据，能使设计方案更加合理、可行和经济，远远超过缩短工期所获得的效益。

　　二.桩基设计中桩型、桩长设计的重要性

　　桩基础设计中对桩型及桩长的合理选择均会对基础设计产生重大的影响，合理的桩型、桩长选择将产生巨大的经济效益。笔者在“昆山华地”住宅设计中，开始由于考虑时间原因（有现成的D400预应力管桩），甲方要求采用D400的预应力管桩，根据地质报告采用桩长L=16m，单桩承载力极限标准值为850kN，预算基础部分造价约为160元/m2，在整个住宅造价中占了相当大的比例。在其后的设计中，笔者桩长不变，结合当地的设计经验，将桩型改为250x250的预制钢筋混凝土小方桩，单桩承载力极限标准值约为600kN.预制小方桩在当地的施工价才约50元/m，而预应力管桩的单价约为100元/m.采用小方桩后预算造价约为90元/m2，综合经济价值明显。可见选择合理的桩型，将对工程的造价产生巨大影响。同样桩基设计中对桩长的选择也至关重要，在某一高层住宅桩筏基础设计中，根据勘察报告采用D500预应力管桩，可选桩长有：桩长25m ，单桩承载力特征值Ra=900kN；桩长34m，单桩承载力特征值Ra=1300kN.采用25m桩，约需要桩数290根；而采用34m 桩，则需要工程桩200根。从桩本身而言，两种方案总的工程桩延米数量相当，但我们分析一下由此而相对应的筏板设计，采用25m 桩为满樘布桩，所需筏板厚约为1200mm，而采用34m 桩为墙下布桩，筏板厚可减至900mm，经济效益明显。因此，我们设计人员在桩基础设计中一定要采用多方案比较，选择合理的桩型与桩长，这都将对整个基础设计的合理性与经济性产生巨大的影响，当然我们也应考虑施工可行性等多方面因素。

　　三.关于桩偏差的控制和处理

　　桩基施工中对桩的偏差必须严格控制，特别是对于承台桩及条形桩，桩位的偏差都将产生很大的附加内力，而使基础设计处于不安全状态。对于桩位偏差我们主要控制两个方面，其一是竖向偏差，根据JGJ94-94第7.4.12条我们控制桩顶标高的允许偏差为-50~+100mm，但实际施工中偏差这么大将引起繁重的施工任务及损失。当桩顶标高高于设计标高，则需要劈桩，特别对于预应力管桩等空心桩来说，桩顶有桩帽劈桩既困难又不经济；而当桩顶标高低于设计标高时，又需要补桩头，这既影响工期又浪费金钱。这就要求施工单位在施工过程中必须严格控制桩顶标高，尽可能地使工程桩标高同设计一致，特别是施工过程中必须考虑到桩在卸载后的回降量，否则不加考虑则每根桩都将高于设计标高。而我们设计人员在设计过程中对施工误差亦应有所考虑，笔者建议针对目前的施工质量，设计中可以考虑2mm左右的偏差容许，这样就可以免除大量小偏差桩的劈桩，这在实践工程中具有相当的可操作性，避免了大量不必要的工作。其二则是桩位的水平偏差。根据JGJ94-94第7.4.11条控制各桩位偏差，施工过程中发现桩位偏差较大则应及时补桩处理。这里针对4~16根承台的桩基，JGJ94-94规范第7.4.11条中规定允许偏差为1/3桩径或1/3边长，而根据GB50202-2002第5.1.3条则规定允许偏差为1/2桩径或边长。这显然是矛盾的，在实际过程中很容易与施工验收方产生不同的理解，因此笔者强调在设计过程中可以明确桩位偏差允许值所执行的标准。另外，对于小直径桩（D≤250）笔者强调必须对其偏位进行严格控制而不应按上述规范标准，笔者建议对承台桩可控制70mm；而对于条形承台则区分垂直于条形承台方向50mm，平行于承台方向为70mm，当然这些要求必须在施工前予于明确。当然桩位偏差满足规范或设计要求仅仅代表桩基本身验收合格，而对于由此引起的承台整体偏心或基础高度损失，我们必须另行处理。对于桩偏心我们可以采取增加承台刚度或加大拉梁刚度、配筋来解决，这在实际工程中需针对具体情况相应处理。

　　四.施工中特殊情况处理

　　桩基施工由于地层的不可知性，经常会遇到很多异常情况，这就要求我们根据具体的情况，仔细分析，采用妥善的方法去解决各类问题。

　　1）桩基达到其极限承载力而无法压至设计标高。这里可能存在两种情况，其一是地质报告有误，桩实际承载力大于计算值，必须先做试桩以确定其合理的桩长及承载力。其二则可能由于土层本身原因，譬如说饱和砂土产生的孔隙水压力使桩基根本无法压入，这就需要我们从施工措施上去解决。首先是必须制定合理的施工顺序，譬如说跳打，使先期施工的桩产生的水压力消散后再施工下一根桩；其次对静力压桩来说必须选择有足够压桩力的施工机械，要避免抬机等现象出现；另外可以采取引孔，设置排水孔等措施尽量减少空隙水压力。当然压桩时必须注意压桩力应控制在桩身极限强度范围以内，且应注意压桩挤土作用对周边建筑物的影响。

　　2）桩基施工时压桩力远低于设计承载力。苏州阊胥公寓小高层住宅采用18m长D400预应力管桩，根据地质勘察报告单桩承载力设计值为650kN，进行工程桩试打时连续4根桩的最大压桩力均仅为300kN，远远小于设计承载力。我们仔细分析了勘察报告认为报告所提供的各土层特性基本准确，而从周边其他工程的地质报告也证明勘察报告无误，因此我们分析可能由于压桩机械的压桩速度偏快，而土层的粘聚力又偏小，故压桩时桩将土直接剪坏，引起压桩力偏低，随着时间土能恢复固结。在15天后进行的试桩，证明我们的判断准确，试验承载力满足设计要求。这一点也从侧面强调了先进行静载荷试桩的重要性。

　　3）桩基静载荷试验不合格。某工程由于时间限制，甲方要求试桩与工程桩同时进行，待试桩满足JGJ94-94附录c.0.6条时进行静载荷试验，结果三组试桩有一组满足设计要求而另外两组试桩均在小于设计承载力时产生破坏。这就让我们从设计、施工和试验等各方面去分析这两组试桩，但经过与周边工程比较及现场施工试验记录分析，均未发现特殊情况，即不存在施工，试验中的失误。笔者对第一组合格试桩的情况进行了比较，终于发现后二组试桩本身的停歇时间已够，但周边的其余工程桩施工在试验前2天才完成，完全有理由认为是因为工程桩施工时将试桩周边的土破坏而没有固结，影响了试桩的承载力。于是等工程桩停歇时间也满足JGJ94-94附录c.0.6条时再次对2根试桩进行了静载荷试验，结果与我们判断完全一致，试桩均满足设计要求。这一实例告诉我们影响试桩结果的因素有很多，我们在工程实践中对各种情况一定要仔细分析，找出问题所在，而不要盲目处理，造成不必要的损失和浪费。

　　4）管桩裂缝处理。预应力管桩以其强度高，制作周期短，比预制桩节省材料等优点在工程设计中受到普遍应用，但其也存在受剪能力差的不足之处。在工程实践中，由于垂直度偏差或挤土等原因经常会使管壁产生裂缝而影响质量。在昆山某一工程中由于场地天然地面标高较低，在桩施工前场地回填了约2m左右的土，而施工中又未对上述情况采取合适的措施，使压桩机械在施压进行过程中对桩产生了不均匀的侧压，施工结束后发现局部桩位产生了侧偏，经小应变检测发现这些管桩都不同程度地产生了裂缝，如何处理显得相当关键。我们对偏差资料经过分析归类后，对于垂直度偏差小于0.5%的管桩，管壁基本无裂缝，我们认为承载力应不受损失，故在增加了一组试桩证明承载力满足设计条件后不再进行处理。而对垂直度偏差大于0.5%的管桩，可以认为管壁均已产生裂缝，承载力已受影响，我们对此类桩采用了先纠偏再进行灌芯处理，使裂缝部位的传力通过灌芯部分混凝土传递，经最终静载荷试验证明是切实可行的。因此我们在管桩的实际施工中一定要注意垂直度的控制，因为管桩的抗剪能力较差，很容易破坏而引起不必要的经济损失。

　　桩基工程是一繁重而复杂的过程，我们设计人员一定要考虑到每一个环节，统筹兼顾，从各方面使之合理化。好的设计不仅仅是要保证建筑物安全，更要使设计经济合理。